DE102008016090B4

DE102008016090B4 - Verfahren zum Betreiben einer Anordnung für elektrochemische Umwandlung und System mit einer Anordnung für elektrochemische Umwandlung

Info

Publication number: DE102008016090B4
Application number: DE102008016090.3A
Authority: DE
Inventors: Manish Sinha; Yeh-Hung Lai; John C. Fagley
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-04-02
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2028-03-29
Also published as: US20080236930A1; CN101281974A; US7687163B2; DE102008016090A1; CN101281974B

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Anordnung für elektrochemische Umwandlung, die mehrere Zellen für elektrochemische Umwandlung umfasst,wobei jede der Zellen eine zwischen einem ersten und einem zweiten Reaktandenströmungsfeld positionierte Membranelektrodeneinheit umfasst, wobei die Membranelektrodeneinheit eine Protonenaustauschmembran umfasst und das Verfahren umfasst:Ausführen eines Aufwärmbetriebs der Anordnung durch Anheben der Temperatur Tder Membranelektrodeneinheit;Einleiten einer auf Stöchiometrie beruhenden Steuerung der relativen Feuchte (RH) der Reaktanden in einem der Reaktandenströmungsfelder, wenn die Temperatur Teine Schwellentemperatur Tübersteigt, wobeidie auf Stöchiometrie beruhende RH-Steuerung eine Reduzierung der relativen Feuchte von einem 100% relative Feuchte übersteigenden Wert RHauf einen unter 100% relative Feuchte liegenden Wert RHumfasst,der Wert relativer Feuchte RHniedrig genug ist, um eine Reduzierung einer anfänglichen Membranhydratation λin der Membranelektrodeneinheit zuzulassen,die Reduzierung der relativen Feuchte auf RHdurch Steuern der Stöchiometrie des Reaktandenströmungsfelds und der Temperatur der Membranelektrodeneinheit, so dass die relative Feuchte auf RHim Verhältnis zu den Teilen des RH-Profils des Reaktandenströmungsfelds vor Einleiten der auf Stöchiometrie beruhenden Steuerung kontinuierlich abnimmt, erreicht wird; undWechseln von der auf Stöchiometrie beruhenden RH-Steuerung zu auf Temperatur beruhender RH-Steuerung, wenn die Membranhydratation in der Membranelektrodeneinheit unter einen Sollwert λder Membranhydratation fällt, wobei die auf Temperatur beruhende RH-Steuerung durch Temperaturen gekennzeichnet ist, die mindestens einige der Temperaturen übersteigen, die die auf Stöchiometrie beruhende RH-Steuerung kennzeichnen.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Zellen für elektrochemische Umwandlung, die häufig als Brennstoffzellen bezeichnet werden und elektrische Energie durch Verarbeiten erster und zweiter Reaktanden erzeugen. Zum Beispiel kann elektrische3.20 Energie in einer Brennstoffzelle durch die Reduktion eines sauerstoffhaltigen Gases und die Oxidation eines wasserstoffhaltigen Gases erzeugt werden. Zur Veranschaulichung und nicht der Beschränkung halber umfasst eine typische Zelle eine Membranelektrodeneinheit (MEA, kurz vom engl. Membrane Electrode Assembly), die zwischen einem Paar Strömungsfelder positioniert ist, die jeweilige der Reaktanden aufnehmen. Im Einzelnen können eine Kathoden-Strömungsfeldplatte und eine Anoden-Strömungsfeldplatte an gegenüberliegenden Seiten der MEA positioniert sein. Die durch eine einzelne Zellenanordnung vorgesehene elektrische Spannung ist typischerweise für eine brauchbare Anwendung zu klein, daher ist es üblich, mehrere Zellen in einem leitend verbundenen „Stapel“ anzuordnen, um die elektrische Leistung der Anordnung für elektrochemische Umwandlung zu steigern.
Die Membranelektrodeneinheit umfasst typischerweise eine Protoneriaustauschmembran, die eine Anodenschicht und eine Kathodenschicht der MEA trennt. Die MEA ist typischerweise durch verbesserte Protonenleitfähigkeit unter nassen Bedingungen gekennzeichnet. Zum Zweck des Beschreibens des Kontextes der vorliegenden Erfindung wird angemerkt, dass die allgemeinen Auslegung und der allgemeine Betrieb von Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapeln über den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung hinausgeht. Vielmehr ist die vorliegende Erfindung auf Verfahren zum Steuern der Ermüdungslebensdauer von Brennstoffzellen gerichtet. Bezüglich der allgemeinen Auslegung und des allgemeinen Betriebs von Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapeln verweisen die Anmelder auf den sehr großen Bestand von Lehrschriften, die sich mit der Art und Weise befassen, in der Brennstoffzellen„stapel“ und die verschiedenen Komponenten der Stapel ausgelegt sind. Zum Beispiel betreffen mehrere U.S.-Patente und veröffentlichte Anmeldungen direkt Brennstoffzellenauslegungen und entsprechende Betriebsverfahren. Im Einzelnen zeigen 1 und 2 der U.S.-Patentanmeldung Veröffentl. Nr. 2005/0058864 und der Begleittext eine detaillierte Darstellung der Komponenten einer Art von Brennstoffzellenstapel, und dieser bestimmte Gegenstand wird durch Erwähnung hierin ausdrücklich aufgenommen.
Herkömmliche Anordnungen für elektrochemische Umwandlung und Verfahren zum Betrieb derartiger Anordnungen sind aus den Druckschriften US 2006 / 0 263 654 A1 , US 2006 / 0 154 124 A1 und DE 101 46 943 A1 bekannt.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Die Haltbarkeit einer Brennstoffzelle, die eine befeuchtete MEA nutzt, hängt stark von dem Hydratationszustand der in der MEA verwendeten Polymerelektrolytmembran ab. Zum Senken des Widerstands der Protonenleitfähigkeit in der Membran ist es normalerweise erwünscht, die Polymerelektrolytmembran ausreichend befeuchtet zu halten. Die vorliegenden Erfinder haben aber erkannt, dass die MEA unter typischen Betriebsbedingungen periodisch relativ nasse und relativ trockene Zustände durchläuft. Diese Zyklen der Membranhydratation sind insbesondere während Startvorgängen der Brennstoffzelle vorherrschend.
Eine der Folgen des vorstehend erwähnten regelmäßigen Durchlaufens von Hydratation ist eine signifikante Verschlechterung der mechanischen Haltbarkeit der MEA. Im Einzelnen steht die Ermüdungszykluslebensdauer einer MEA direkt mit Membranbeanspruchung in Verbindung. Die Membranbeanspruchung ist wiederum eine starke Funktion von Wassergehalt, Dehydratationsrate, Temperatur und Erwärmungs-/Abkühlungsrate. Die Beziehung zwischen Membranbeanspruchung und Ermüdungslebensdauer kann mit Hilfe einer Ermüdungslebensdauerkurve dargestellt werden, die hierin auch als S-N-Kurve bezeichnet wird. Nach der S-N-Kurve, für welche ein Beispiel in 1 gezeigt wird, bei der für verschiedene unterschiedliche Testbedingungen eine normalisierte berechnete Beanspruchung gegen Membranlebensdauer grafisch dargestellt ist und bei der die Membranlebensdauer als die Anzahl von Zyklen bis zum Auslösen von Lecken festgelegt ist, entsprechen höhere Membranbeanspruchungen im Allgemeinen einer niedrigeren Lebensdauer der Brennstoffzelle.
Ein Beispiel für ein geeignetes Membranbeanspruchungsmodell ist wie folgt:
wobei Werte für die Membranhydratation λ, die Änderung der Membranhydratation Δλ, die Membrantemperatur T, den Koeffizienten der Hygroexpansion β und die uniaxiale Kriechnachgiebigkeit D aus Materialtests und Brennstoffzellensystemtests eingegeben werden. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung stellen λ und Δλ den Wassergehalt der Membran ausgedrückt in Anzahl an Wassermolekülen pro Säurezentrum mit einer Einheit H₂O/H⁺ dar, ε_ij ist ein Deformationstensor, σ stellt Beanspruchung dar, t stellt Zeit dar, δ_ij ist das Kronecker Delta, B ist die Massenkriechnachgiebigkeit, s ist die Dilatationskomponente der ausgeübten Beanspruchung, s_ij ist die Abweichlerkomponente der ausgeübten Beanspruchung und ξ ist eine Integrationsvariable, die Zeit darstellt. Die Einzelheiten dieses Membranbeanspruchungsmodells liegen außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung und lassen sich verschiedenen geeigneten Lehren zur Beanspruchungsmodellierung entnehmen. Das Modell wird hier lediglich für veranschaulichende Zwecke dargestellt und sollte nicht zum Beschränken des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Bei herkömmlichen Inbetriebnahmestrategien von Brennstoffzellen werden anfängliche Betriebssollwerte für eine vorab festgelegte Solltemperatur und eine vorab festgelegte Stöchiometrie ermittelt. Typischerweise liegt die Temperatur bei Leerlauf und niedriger Leistung relativ niedrig und das stöchiometrische Verhältnis des Sauerstoffeinlassstroms ist relativ hoch. Bei voller Leistung ist dagegen die Temperatur höher und das stöchiometrische Verhältnis niedriger. Die vorliegenden Erfinder haben erkannt, dass der Temperaturanstieg während des Aufwärmens eine Funktion des verwendeten bestimmten Fahrzyklus ist und dass ein aggressiver Fahrzyklus verglichen mit einem nicht aggressiven Fahrzyklus zu einem schnelleren Erwärmen führt. 2 zeigt die Entwicklung von Membrantemperatur T, relativer Feuchtigkeit RH des Kathodenströmungsfelds und Membranhydratation A für einen relativ aggressiven Fahrzyklus.
In 2 sind in dem als A in dem Kurvenblatt umrissenen Bereich mehrere Übergänge von Nass zu Trocken, d.h. RH-Übergänge des Stapels von mehr als 100% zu weniger als 100%, zu sehen. Ferner treten die signifikantesten Abnahmen der Membranhydratation bei etwa 80°C auf, und die Trocknungsrate ist bei dieser Temperatur recht schnell, d.h. etwa 100 Sekunden von λ>13 auf λ<5. Die vorliegenden Erfinder haben das Potential zum Optimieren dieser Parameter zwecks Minimierens von Membranbeanspruchung erkannt. Wie in weiterem Detail hierin im Einzelnen beschrieben wird, haben die vorliegenden Erfinder erkannt, dass die Membranbeanspruchung minimiert und die Membranermüdungslebensdauer optimiert werden kann, indem die Membranvariablen wie die Membrandehydratationsrate, der Wassergehalt und die Temperatur während der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle entsprechend gesteuert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Anordnung zur elektrochemischen Umwandlung vorgesehen. Die Anordnung umfasst mehrere Zellen für elektrochemische Umwandlung, wovon jede eine zwischen dem ersten und dem zweiten Reaktandenströmungsfeld positionierte Membranelektrodeneinheit umfasst. Gemäß dem Verfahren wird ein Aufwärmbetrieb der Anordnung durch Anheben der Temperatur T_STACK der Membranelektrodeneinheit ausgeführt. Als Nächstes wird eine auf Stöchiometrie beruhende Steuerung der relativen Feuchte (RH) eines der Reaktandenströmungsfelder eingeleitet, wenn die Temperatur T_STACK eine Grenztemperatur T₀ übersteigt. Die auf Stöchiometrie beruhende RH-Steuerung umfasst eine Reduzierung der relativen Feuchte von einem Wert RH_WET, der 100% relative Feuchte übersteigt, auf einen Wert RH_DRY unter 100% relative Feuchte. Der Wert RH_DRY der relativen Feuchte ist niedrig genug, um eine Abnahme einer anfänglichen Membranhydratation λ_WET in der Membranelektrodeneinheit zu ermöglichen. Die Reduzierung der relativen Feuchte auf RH_DRY wird durch Steuern der Stöchiometrie des Reaktandenströmungsfelds und der Temperatur der Membranelektrodeneinheit erreicht, so dass im Verhältnis zu Teilen des RH-Profils des Reaktandenströmungsfelds vor dem Einleiten der auf Stöchiometrie beruhenden RH-Steuerung die Abnahme auf RH_DRY im Wesentlichen kontinuierlich erfolgt. Die Zelle wechselt von der auf Stöchiometrie beruhenden RH-Steuerung zu einer auf Temperatur beruhenden RH-Steuerung bei im Allgemeinen angehobenen Temperatur, wenn die Membranhydratation in der Membranelektrodeneinheit unter einen Solllmembranhydratationswert λ_DRY fällt.
Nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein System vorgesehen, das eine Anordnung für elektrochemische Umwandlung und ein Anordnungssteuergerät umfasst, das zum Ausführen der auf Stöchiometrie beruhenden und auf Temperatur beruhenden RH-Steuerabläufe der vorliegenden Erfindung programmiert ist. Typischerweise ist das System Teil eines Fahrzeugs und umfasst ein Fahrzeugfahrwerk und eine dafür ausgelegte Anordnung für elektrochemische Umwandlung, als Antriebskraftquelle für das Fahrzeugfahrwerk zu dienen.
Demgemäß besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Haltbarkeit einer eine befeuchtete MEA verwendenden Brennstoffzelle zu verbessern. Andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung sind im Hinblick auf die Beschreibung der hierin verkörperten Erfindung offensichtlich.
Figurenliste
Die folgende eingehende Beschreibung der spezifischen erfindungsgemäßen Ausführungsformen lässt sich am Besten bei Lesen in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen verstehen, bei denen ein gleicher Aufbau mit gleichen Bezugszeichen angezeigt wird. Hierbei zeigen:

1 eine Darstellung einer Ermüdungslebensdauerkurve, die hierin auch als S-N-Kurve bezeichnet ist, die die Beziehung zwischen Membranbeanspruchung und Ermüdungslebensdauer zeigt;
2 die Entwicklung einer Membrantemperatur T, der relativen Feuchte RH eines Kathodenströmungsfelds und der Membranhydratation λ bei einem relativ aggressiven Brennstoffzellen-Fahrzyklus;
3 die Entwicklung von Membrantemperatur T, der relativen Feuchte RH des Kathodenströmungsfelds und der Membranhydratation A bei einem Brennstoffzellen-Fahrzyklus nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
4 ein Flussdiagramm, das eine in Betracht gezogene erfindungsgemäße Umsetzung zeigt; und
5 ein Flussdiagramm, das weitere in Betracht gezogene erfindungsgemäßen Umsetzungen zeigt.

Eingehende Beschreibung
Die Einzelheiten der vorliegenden Erfindung können durch Verweis auf 2 und 3, die jeweils eine andere Art von Brennstoffzellen-Kaltstart-Fahrzyklus veranschaulichen, veranschaulicht werden. Typischerweise besteht unter Kaltstart- oder allgemeinen Inbetriebnahmebedingungen Bedarf, den Wassergehalt der verschiedenen Protonenaustauschmembranen eines Brennstoffzellenstapels von einer relativ nassen Bedingung, z.B. λ>13, auf eine relativ trockene Bedingung, z.B. λ<6, zu senken. In 2 sind die mehreren Übergange von Nass zu Trocken, d.h. RH-Übergänge des Stapels von mehr als 100% auf unter 100%, in dem in der grafischen Darstellung als A umrissenen Bereich zu sehen. Ferner treten die signifikantesten Abnahmen an Membranhydratation bei etwa 80°C auf, und die Trocknungsrate bei dieser Temperatur ist recht schnell, d.h. etwa 100 Sekunden von λ>13 auf λ<5. Es wird für möglich gehalten, dass diese Übergänge von Nass zu Trocken und die in 2 gezeigte relativ schnelle Dehydratation bei hoher Temperatur die Leistung und Haltbarkeit der Zelle negativ beeinflusst.
Ein Verfahren zum Betreiben einer Anordnung für elektrochemische Umwandlung nach der erfindungsgemäßen Methodologie kann unter Bezug auf die in 3 und 4 gezeigte spezifische Ausführungsform veranschaulicht werden. Zunächst wird durch Anheben der Temperatur T_STACK der Membranelektrodeneinheit ein Aufwärmbetrieb der Anordnung ausgeführt. Dieser anfängliche Temperaturanstieg wird in 3 in dem etwa 900 Sekunden vorausgehenden Teil des Temperaturprofils T und konzeptuell in 4 als „anfängliches Aufwärmen des Stapels“ grafisch dargestellt. Der Temperaturanstieg T_STACK während des Aufwärmbetriebs der Anordnung kann praktischerweise zumindest teilweise auf Abwärme zurückführbar sein, die von dem Fahrzeug oder einer anderen Vorrichtung erzeugt wird, mit der die Zelle für elektrochemische Umwandlung verbunden ist.
Sobald die Temperatur T_STACK eine Grenztemperatur T₀ überschreitet, z.B. etwa 60°C in 3, wird die auf Stöchiometrie beruhende Steuerung der relativen Feuchte (RH) eines der Reaktandenströmungsfelder ausgelöst (siehe 4, „T_STACK > T₀?“ und „Stöch-basierte RH-Steuerung aktivieren“). Im Kontext einer Anordnung für elektrochemische Umwandlung, bei der ein sauerstoffhaltiges Gas zum Kathoden-Strömungsfeld geleitet wird, und ein wasserstoffhaltiges Gas zum Anoden-Strömungsfeld geleitet wird, würde eine auf Stöchiometrie beruhende RH-Steuerung der relativen Feuchte des Kathoden-Strömungsfelds ausgelöst werden.
Der auf Stöchiometrie beruhende RH-Steuerungsplan umfasst eine Reduzierung der relativen Feuchte des Strömungsfelds von RH_WET, einem 100% relative Feuchte übersteigenden Wert, auf RH_DRY, einen Wert unter 100% relative Feuchte. Diese Reduzierung der relativen Feuchte des Strömungsfelds wird in 3 in dem Teil des relativen Feuchteprofils RH, der allgemein als B und konzeptuell in 4 als „Herunterfahren von RH_WET auf RH_DRY“ bezeichnet wird. Der Wert relativer Feuchte RH_DRY sollte niedrig genug sein, um die Membranhydratation λ_WET in der Membranelektrodeneinheit zu senken - eine Folge, die durch das Membranhydratationsprofil λ in 3 veranschaulicht wird.
Bei Vergleichen der in 2 und 3 als A umrissenen Bereiche ist in jedem Fall ein deutlicher Unterschied des Verhaltens des RH-Profils offenkundig. Während der Stapel RH im Einzelnen bei dem relativ aggressiven Kaltstartschema von 2 mehrere Male zwischen Werten über 100% und unter 100% wechselt, sinkt die RH des Stapels bei der in 3 gezeigten Weichanlauf-Steuerstrategie im Wesentlichen kontinuierlich.
Dadurch wird es für möglich gehalten, dass die Membranelektrodeneinheit, die Weichanlauf-Steuerstrategien ähnlich der in 3 gezeigten unterzogen wird, eine längere Lebensdauer vor Auftreten eines signifikanten Durchtrittsleckens in der Anordnung aufweist.
Die vorstehend erwähnte Reduzierung auf RH_DRY wird durch Steuern der Stöchiometrie des Reaktandenströmungsfelds und der Temperatur der Membranelektrodeneinheit erreicht, so dass im Verhältnis zu den Teilen des RH-Profils vor Einleiten der auf Stöchiometrie beruhenden Steuerung die Reduzierung auf RH_DRY im Wesentlichen kontinuierlich ist. Sobald in der gezeigten Ausführungsform die relative Feuchte unter 100% fällt, bleibt das RH-Profil unter 100%. Es wird aber für möglich gehalten, dass die auf Stöchiometrie beruhenden erfindungsgemäßen RH-Steuerabläufe unter manchen Umständen nicht ausschließlich durch RH-Profile gekennzeichnet sein können, die unter 100% bleiben. Vielmehr werden beim Festlegen und Beschreiben der vorliegenden Erfindung bezüglich einer im Wesentlichen kontinuierlichen Reduzierung von RH Abweichungen relativ kleiner Größenordnung von einer kontinuierlichen Reduzierung von RH_WET auf RH_DRY in Betracht gezogen, solange die Abweichungen dem in 3 gezeigten RH-Profil, bei dem der umrissene Bereich A einen einzelnen Übergang von RH_WET auf RH_DRY umfasst, ähnlicher als dem in 2 gezeigten RH-Profil, bei dem der umrissene Bereich mehrere Male mehrere Übergänge zwischen RH-Werten über 100% und unter 100% umfasst, sind.
In der in 3 und 4 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsform wechselt die Umwandlungsanordnung von der vorstehend beschriebenen, auf Stöchiometrie beruhenden RH-Steuerung zu einer auf Temperatur beruhenden RH-Steuerung, wenn die Membranhydratation λ in der Membranelektrodeneinheit unter einen Sollmembranhydratationswert λ_DRY fällt. Typischerweise wird der Wechsel zu einer auf Temperatur beruhenden RH-Steuerung verzögert, bis die Membranhydratation A über eine Zeitraum, der eine stationäre Membranhydradatation anzeigt, unter den Sollmembranhydratationswert λ_DRY fällt, wie in 4 konzeptuell gezeigt wird (siehe „hat A einen stationären Zustand erreicht?“). Zum Beispiel kann es bevorzugt sein, das Hydratationsprofil λ von 3 als Hinweis auf eine stationäre Membranhydratation entlang des Teils des Profils A zu sehen, der allgemein als C bezeichnet ist, und die auf Temperatur beruhende RH-Steuerung bei einem Zeitpunkt zu aktivieren, der einem Punkt irgendwo entlang dieses Teils des Profils entspricht (siehe „Aktivieren der auf Temperatur beruhenden RH-Steuerung“).
Die Reduzierung von RH_WET auf RH_DRY unter der auf Stöchiometrie beruhenden RH-Steuerung kann bevorzugt unter Bezug auf eine Solltemperatur T₁ der Membranelektrodeneinheit ausgeführt werden. In der gezeigten Ausführungsform liegt diese Solltemperatur T₁ bei etwa 70°C, deren Projektion in 3 für veranschaulichende Zwecke gezeigt wird. Es wird in Betracht gezogen, dass die auf Stöchiometrie beruhenden, erfindungsgemäßen RH-Steuerabläufe durch Ermitteln der Solltemperatur T₁ und Ausführen der auf Stöchiometrie beruhenden RH-Steuerung unter Bezug auf die Solltemperatur stabilisiert werden können. Unter der auf Temperatur beruhenden RH-Steuerung ist die Temperatur der Membranelektrodeneinheit durch Temperaturen gekennzeichnet, die im Allgemeinen die unter einer auf Stöchiometrie beruhenden Steuerung erreichten Temperaturen übersteigen.
Im Allgemeinen stellt die Solltemperatur T₁ der Membranelektrodeneinheit eine Mindesttemperatur dar, bei der die Membranelektrodeneinheit bei RH_DRY bei einer vorgegebenen auf Stöchiometrie beruhenden Stromdichte I_STOICH und einer anfänglichen Stöchiometrie STOICH₁ des Reaktandenströmungsfelds arbeiten kann. Zum Beispiel kann man bei einer vorgegebenen Brennstoffzelle, die mit einem Verdichter arbeitet, der zum Liefern von Luft bei einer Spitzenströmrate bemessen ist, die einer Stöchiometrie von 1,8 bei maximaler Stromdichte entspricht, die Solltemperatur T₁ der Membranelektrodeneinheit durch Finden der möglichen Mindesttemperatur, bei der die Anordnung einen Wechsel von Nass zu Trocken vornehmen kann, ermitteln. Im Kontext der gezeigten Ausführungsform liegt die Mindesttemperatur, bei der die RH unter 90% liegen kann, wahrscheinlich bei 79°C. Wenn aber die maximale Stromdichte der Einheit auf 0,8 A/cm² statt auf 1,2 A/cm² beschränkt ist, können wir während des Aufwärmens T₁ von 79° auf etwa 70°C reduzieren, wie in 3 gezeigt wird, und die Durchtrittslebensdauer signifikant verbessern. Demgemäß hält die vorliegende Erfindung ein Weichanlaufschema für möglich, bei dem der Leistungswert der Brennstoffzelle beschränkt ist und die Stöchiometriesteuerung als aktives Steuerelement zum Ausführen von Membrantrocknen bei einer Zieltemperatur T₁, z.B. 70°C, verwendet wird. Es wird auch in Betracht gezogen, dass der Betrieb bei Spitzenstromdichte erreicht werden könnte, wenn der maximale Strom des Verdichters nicht auf Ströme beschränkt wäre, die einer Stöchiometrie von 1,8 entsprechen. Es wird zum Beispiel in Betracht gezogen, dass eine Zunahme der Verdichtergröße einen Betrieb bei Spitzenstromdichte bei einer Stöchiometrie von etwa 2,25 ermöglichen würde.
In Anbetracht der vorstehend erwähnten Überlegungen bezüglich maximaler Stromdichte und Verdichterleistung wird in Betracht gezogen, dass auf Stöchiometrie beruhende RH-Steuerabläufe nach einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen durch eine vorgegebene auf Temperatur beruhende Stromdichte I_MAX, eine auf Stöchiometrie beruhende Stromdichte I_STOICH, eine anfängliche Stöchiometrie STOICH₁ des Reaktandenströmungsfelds und eine Betriebsstöchiometrie STOICH₂ des Reaktandenströmungsfelds unter einer auf Stöchiometrie beruhenden RH-Steuerung gekennzeichnet sind, wobei entweder die auf Stöchiometrie beruhende Stromdichte I_STOICH kleiner als die auf Temperatur beruhende Stromdichte I_MAXist oder die anfängliche Stöchiometrie STOICH₁ des Reaktandenströmungsfelds größer als die Betriebsstöchiometrie des STOICH₂ des Reaktandenströmungsfelds ist.
In der Praxis wird bei einer anfänglichen Membranhydratation λ_WET, die etwa 12 Wassermoleküle pro Säurezentrum übersteigt, und einer Sollmembranhydratation λ_DRY, die unter etwa 8 Wassermolekülen pro Säurezentrum liegt, in Betracht gezogen, dass die vorstehend erwähnte Reduzierung der relativen Feuchte auf RH_DRY durch Steuern der Stöchiometrie des Reaktandenströmungsfelds und der Temperatur der Membranelektrodeneinheit, so dass es über etwa 200 Sekunden zum Erreichen einer stationären Membranhydratation bei RH_DRY dauert, erreicht werden kann. Typischerweise dauert es mindestens etwa 100-200 Sekunden, um eine Reduzierung der Membranhydratation von 50% zu erreichen, und die auf Stöchiometrie beruhende RH-Steuerung wird einen Zeitraum t_DRY lang, der etwa 200 Sekunden übersteigt und häufig bei über 400 Sekunden liegt, beibehalten, wie in 3 veranschaulicht wird.
Das Flussdiagramm von 5 ähnelt in vielerlei Hinsicht dem Flussdiagramm von 4, mit der Ausnahme, dass der darin gezeigte Steuerablauf Berücksichtigung von Membranentspannung in der Membranelektrodeneinheit und Wasseraufnahme in den Strömungsfelddiffusionsmedien einer Anordnung für elektrochemische Umwandlung umfasst. Im Einzelnen kann die auf Stöchiometrie beruhende erfindungsgemäße RH-Steuerung eine zweistufige Reduzierung von RH beinhalten, wobei die erste Stufe unter einer auf Stöchiometrie beruhenden RH-Steuerung von RH_WET auf einen Wert etwas höher als das übliche RH_DRY sinkt und die zweite Stufe eine zusätzliche Reduzierung der relativen Feuchte von RH_DRY zu RH_FINAL umfasst, aber nur, wenn die Wasseraufnahme θ in den Diffusionsmedien unter einen Sollwasseraufnahmewert fällt. Dieser Aspekt des Steuerablaufs wird unter Bezug auf den Entscheidungsblock „Ist θ ≈ 0?“ von 5 veranschaulicht. Die anfängliche Reduzierung der relativen Feuchte von RH_WET auf RH_DRY und die zusätzliche Reduzierung der relativen Feuchte von RH_DRY auf RH_FINAL können beide bei im Wesentlichen der gleichen Temperatur T₁ der Membranelektrodeneinheit ausgeführt werden.
Das Flussdiagramm von 5 umfasst auch einen Schritt, der eine „Membranentspannung bei T₁“ vor Aktivieren der auf Temperatur beruhenden RH-Steuerung ermöglicht. Das Konzept der Membranentspannung soll Betriebsparameter abdecken, die auf ein Mindern von mechanischer Spannung in der Membranelektrodeneinheit und ein Verbessern der Haltbarkeit der Anordnung gerichtet sind. Der durch den Membranentspannungsschritt dargestellte Zeitraum könnte zum Beispiel - nicht in einschränkender Weise - durch Aufnehmen einer zusätzlichen Membrandehydratationsfolge in den Steuerablauf als Übergang von einer auf Stöchiometrie beruhenden RH-Steuerung zu einer auf Temperatur beruhenden RH-Steuerung genutzt werden. Geeignete ergänzende Membrandehydratationsfolgen werden in der ebenfalls der Anmelderin gehörenden, gleichzeitig schwebenden U.S. Patentanmeldung Ser. Nr. 11/464,226 (GP 306578 / GMC 0075 PA), eingereicht am 14. August 2006, offenbart, wobei die Membrandehydratationsfolge durch eine Trocknungsrate gekennzeichnet ist, die sich in einer Weise ändert, die im Wesentlichen einer Ermüdungslebensdauer-Konturkarte der Membranelektrodeneinheit entspricht.
Es wird in Betracht gezogen, dass die Membran in beliebiger geeigneter Weise dehydriert werden kann, einschließlich aber nicht ausschließlich Dehydratation durch Steuerung der Temperatur der Membran, der Feuchte in dem ersten Reaktandenströmungsfeld, der Feuchte in dem zweiten Reaktandenströmungsfeld, der Strömrate in dem ersten Reaktandenströmungsfeld, der Strömrate in dem zweiten Reaktandenströmungsfeld, dem Gasdruck in dem ersten Reaktandenströmungsfeld und/oder dem Gasdruck in dem zweiten Reaktandenströmungsfeld.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Membrandehydratationsfolge bei Anlauf oder bei Detektion eines Auslösersignals ausgelöst werden kann, das eine bestimmte Betriebsbedingung der Zelle für elektrochemische Umwandlung darstellt. Es wird zum Beispiel in Betracht gezogen, dass das Auslösersignal den Wassergehalt der Membran darstellen kann, so dass Dehydratation eingeleitet wird, wenn die Membranhydratation λ einen Maximalwert erreicht oder einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt. Alternativ kann das Auslösersignal einen Temperaturzustand der Brennstoffzelle, die relative Feuchte in dem Reaktandenströmungsfeld, die vorliegende Leistungsforderung an die Zelle, das Einleiten oder Beenden einer Abschalt- oder Einschaltfolge in der Zelle, die Beendigung eines Hydratationszyklus der Zelle oder Kombinationen derselben darstellen.
Ferner wird in Betracht gezogen, dass die Dehydratationsfolge bei Detektion eines Beendigungssignals, das eine Betriebsbedingung der Zelle für elektrochemische Umwandlung darstellt, beendet werden kann. Das Beendigungssignal kann den Wassergehalt der Membran, die relative Feuchte in dem Reaktandenströmungsfeld, die Leistungsforderung an die Zelle, das Einleiten oder Beenden einer Abschalt- oder Einschaltfolge in der Zelle, die Beendigung eines Dehydratationszyklus der Zelle oder Kombinationen derselben darstellen.
Es wird darauf hingewiesen, dass Begriffe wie „bevorzugt“, „üblicherweise“ und „typischerweise“ bei Verwendung hierin nicht so gelesen werden sollten, dass sie den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung beschränken oder implizieren, dass bestimmte Merkmale ausschlaggebend, wesentlich oder gar für den Aufbau oder die Funktion der beanspruchten Erfindung wichtig sind. Vielmehr sollten diese Begriffe lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale betonen, die in einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung verwendet werden können oder auch nicht.
Für die Zwecke des Beschreibens und Festlegens der vorliegenden Erfindung wird darauf hingewiesen, dass der Begriff „im Wesentlichen“ hierin zum Darstellen des inhärenten Grads an Unsicherheit benutzt wird, der einem quantitativen Vergleich, Wert, einer quantitativen Messung oder anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Der Begriff „im Wesentlichen“ wird hierin auch benutzt, um den Grad darzustellen, um den sich eine quantitative Darstellung von einem genannten Bezugswert unterscheiden kann, ohne dass es zu einer Änderung der Grundfunktion des fraglichen Gegenstands kommt.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Anordnung für elektrochemische Umwandlung, die mehrere Zellen für elektrochemische Umwandlung umfasst, wobei jede der Zellen eine zwischen einem ersten und einem zweiten Reaktandenströmungsfeld positionierte Membranelektrodeneinheit umfasst, wobei die Membranelektrodeneinheit eine Protonenaustauschmembran umfasst und das Verfahren umfasst: Ausführen eines Aufwärmbetriebs der Anordnung durch Anheben der Temperatur T_STACK der Membranelektrodeneinheit; Einleiten einer auf Stöchiometrie beruhenden Steuerung der relativen Feuchte (RH) der Reaktanden in einem der Reaktandenströmungsfelder, wenn die Temperatur T_STACK eine Schwellentemperatur T₀ übersteigt, wobei die auf Stöchiometrie beruhende RH-Steuerung eine Reduzierung der relativen Feuchte von einem 100% relative Feuchte übersteigenden Wert RH_WET auf einen unter 100% relative Feuchte liegenden Wert RH_DRY umfasst, der Wert relativer Feuchte RH_DRY niedrig genug ist, um eine Reduzierung einer anfänglichen Membranhydratation λ_WET in der Membranelektrodeneinheit zuzulassen, die Reduzierung der relativen Feuchte auf RH_DRY durch Steuern der Stöchiometrie des Reaktandenströmungsfelds und der Temperatur der Membranelektrodeneinheit, so dass die relative Feuchte auf RH_DRY im Verhältnis zu den Teilen des RH-Profils des Reaktandenströmungsfelds vor Einleiten der auf Stöchiometrie beruhenden Steuerung kontinuierlich abnimmt, erreicht wird; und Wechseln von der auf Stöchiometrie beruhenden RH-Steuerung zu auf Temperatur beruhender RH-Steuerung, wenn die Membranhydratation in der Membranelektrodeneinheit unter einen Sollwert λ_DRY der Membranhydratation fällt, wobei die auf Temperatur beruhende RH-Steuerung durch Temperaturen gekennzeichnet ist, die mindestens einige der Temperaturen übersteigen, die die auf Stöchiometrie beruhende RH-Steuerung kennzeichnen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wechsel zu auf Temperatur beruhender RH-Steuerung verzögert wird, bis die Membranhydratation über einen Zeitraum, der eine stationäre Membranhydratation anzeigt, unter den Sollwert λ_DRY der Membranhydratation fällt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Reduzierung der relativen Feuchte von RH_WET auf RH_DRY unter Bezug auf eine Solltemperatur T₁ der Membranelektrodeneinheit ausgeführt wird; und die Solltemperatur T₁ der Membranelektrodeneinheit eine Mindesttemperatur darstellt, bei der die Membranelektrodeneinheit bei RH_DRY bei einer auf Stöchiometrie beruhenden Stromdichte I_STOICH und einer anfänglichen Stöchiometrie STOICH₁ des Reaktandenströmungsfelds arbeiten kann.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die auf Temperatur beruhende RH-Steuerung durch eine auf Temperatur beruhende Stromdichte I_MAX und eine Betriebsstöchiometrie STOICH₂ des Reaktandenströmungsfelds gekennzeichnet ist; und mindestens eine der folgenden Bedingungen bei Betrieb der Zelle für elektrochemische Umwandlung erfüllt ist $I_{STOICH} < I_{MAX}$
und ${STOICH}_{1} > {STOICH}_{2} .$
Verfahren nach Anspruch 4, wobei RH_DRY kleiner oder gleich etwa 90% ist; und T₁ kleiner als etwa 80°C ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei RH_DRY etwa bei 80% liegt; und T₁ bei etwa 70°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schwellentemperatur T₀ kleiner als eine Solltemperatur T₁ der Membranelektrodeneinheit ist, die durch auf Stöchiometrie beruhende RH-Steuerung festgelegt wird; und die Reduzierung der relativen Feuchte von RH_WET auf RH_DRY unter Bezug auf die Solltemperatur T₁ der Membranelektrodeneinheit ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Reduzierung der relativen Feuchte auf RH_DRY durch Steuern der Stöchiometrie des Reaktandenströmungsfelds und der Temperatur der Membranelektrodeneinheit, so dass es über 200 Sekunden zum Erreichen einer stationären Membranhydratation bei H_DRY dauert, erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Reduzierung der relativen Feuchte auf RH_DRY durch Steuern der Stöchiometrie des Reaktandenströmungsfelds und der Temperatur der Membranelektrodeneinheit, so dass es mindestens etwa 100 Sekunden zum Erreichen einer Reduzierung einer Membranhydratation um 50% dauert, erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Reduzierung der relativen Feuchte auf RH_DRY durch Steuern der Stöchiometrie des Reaktandenströmungsfelds und der Temperatur der Membranelektrodeneinheit, so dass es mindestens etwa 200 Sekunden zum Erreichen einer Reduzierung der Membranhydratation um 50% dauert, erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die anfängliche Membranhydratation λ_WET etwa 12 Wassermoleküle pro Säurezentrum übersteigt; und die Sollmembranhydratation λ_DRY unter etwa 8 Wassermolekülen pro Säurezentrum liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die auf Stöchiometrie beruhende RH-Steuerung einen Zeitraum t_DRY lang, der etwa 200 Sekunden übersteigt, beibehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die auf Stöchiometrie beruhende RH-Steuerung einen Zeitraum t_DRY lang, der etwa 400 Sekunden übersteigt, beibehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Reaktandenströmungsfeld dafür ausgelegte Diffusionsmedien umfasst, das Strömen von Reaktanden durch das Strömungsfeld zu streuen und die auf Stöchiometrie beruhende RH-Steuerung eine zusätzliche Reduzierung der relativen Feuchte von RH_DRY auf RH_FINAL umfasst, wenn die Wasseraufnahme θ in dem Diffusionsmedium unter einen Sollwert der Wasseraufnahme fällt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die anfängliche Reduzierung der relativen Feuchte von RH_WET auf RH_DRY und die zusätzliche Reduzierung der relativen Feuchte von RH_DRY auf RH_FINAL beide bei der gleichen Temperatur T₁ der Membranelektrodeneinheit ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Sollwert der Wasseraufnahme in etwa bei null liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wechsel von der auf Stöchiometrie beruhenden RH-Steuerung zu der auf Temperatur beruhenden RH-Steuerung einen Membranentspannungszeitraum umfasst, wobei die auf Stöchiometrie beruhende RH-Steuerung einen Zeitraum lang beibehalten wird, der zum Integrieren einer Membrandehydratationsfolge ausreicht, die durch eine Trocknungsrate gekennzeichnet ist, die sich in einer Weise ändert, die einer Ermüdungslebensdauer-Konturkarte der Membranelektrodeneinheit entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Anstieg der Temperatur T_STACK während des Anordnungsaufwärmbetriebs zumindest teilweise der von einer Vorrichtung, mit der die Zelle für elektrochemische Umwandlung gekoppelt ist, erzeugten Abwärme zuzurechnen ist.
System, das eine Anordnung für elektrochemische Umwandlung mit mehreren Zellen für elektrochemische Umwandlung und ein Anordnungssteuergerät umfasst, wobei jede der Zellen für elektrochemische Umwandlung eine zwischen einem ersten und einem zweiten Reaktandenströmungsfeld positionierte Membranelektrodeneinheit umfasst, wobei die Membranelektrodeneinheit eine Protonenaustauschmembran umfasst; und wobei das Anordnungssteuergerät programmiert ist zum: Ausführen eines Anordnungsaufwärmbetriebs durch Anheben der Temperatur T_STACK der Membranelektrodeneinheit; Einleiten von auf Stöchiometrie beruhender Steuerung der relativen Feuchte (RH) der Reaktanden in einem der Reaktandenströmungsfelder, wenn die Temperatur T_STACK eine Schwellentemperatur T₀ übersteigt, wobei die auf Stöchiometrie beruhende RH-Steuerung eine Reduzierung der relativen Feuchte von einem 100% relative Feuchte übersteigenden Wert RH_WET auf einen unter 100% relative Feuchte liegenden Wert RH_DRY umfasst, der Wert relativer Feuchte RH_DRY niedrig genug ist, um eine Reduzierung einer anfänglichen Membranhydratation λ_WET in der Membranelektrodeneinheit zuzulassen, die Reduzierung der relativen Feuchte auf RH_DRY durch Steuern der Stöchiometrie des Reaktandenströmungsfelds und der Temperatur der Membranelektrodeneinheit, so dass die relative Feuchte auf RH_DRY im Verhältnis zu den Teilen des RH-Profils des Reaktandenströmungsfelds vor Einleiten der auf Stöchiometrie beruhenden Steuerung kontinuierlich abnimmt, erreicht wird; und Wechseln von der auf Stöchiometrie beruhenden RH-Steuerung zu auf Temperatur beruhender RH-Steuerung, wenn die Membranhydratation in der Membranelektrodeneinheit unter einen Sollwert λ_DRY der Membranhydratation fällt, wobei die auf Temperatur beruhende RH-Steuerung durch Temperaturen gekennzeichnet ist, die mindestens einige der Temperaturen übersteigen, die die auf Stöchiometrie beruhende RH-Steuerung kennzeichnen.
System nach Anspruch 19, wobei das System weiterhin ein Fahrzeugfahrwerk umfasst und die Anordnung für elektrochemische Umwandlung dafür ausgelegt ist, als Antriebskraftquelle für das Fahrzeugfahrwerk zu dienen.